实验原理

图1.1常用拉伸试件形状

图1.2低碳钢拉伸曲线             图1.3铸铁拉伸曲线

   Fp-比例伸长荷载； Fe-弹性极限荷载；       Fb-极限荷载
   Fsu-上屈服荷载；  Fsl-下屈服荷载；
   Fb-极限荷载；     Fk-断裂荷载

    典型的低碳钢(Q235)的曲线和灰口铸铁（HT200）的 曲线如图1.2、图1.3所示。
    低碳钢Q235试件的断口形状如图1.4所示

图1.4低碳钢Q235试件拉伸实验断口形式

铸铁HT200试件的断口形状如图1.5所示

图1.5铸铁HT200试件拉伸实验断口形式

    观察低碳钢的曲线，并结合受力过程中试件的变形，可明显地将其分为四个阶段：弹性阶段、屈服阶段、强化阶段、局部变形阶段。

(1) 弹性阶段OE
    在OP阶段中的拉力和伸长成正比关系，表明低碳钢的应力与应变为线性关系，遵循胡克定律。故P点的应力称为材料的比例极限,如图1.2所示。若当应力继续增加达到材料弹性极限E点时，应力和应变间的关系不再是线性关系，但变形仍然是弹性的，即卸除拉力后变形消失。工程上对弹性极限和比例极限并不严格区分，而统称为弹性极限，它是控制材料在弹性变形范围内工作的有效指标，在工程上有实用价值。
    (2) 屈服阶段ES
    当拉力超过弹性极限到达锯齿状曲线时，拉力不再增加或开始回转并震荡，这时在试样表面上可看到表面晶体滑移的迹线。这种现象表明在试件承受的拉力不继续增加或稍微减少的情况下试件继续伸长，称为材料的屈服，其应力称为屈服强度(流动极限)。拉力首次回转前的最大力(上屈服力)及不计初始瞬时效应(即不计载荷首次下降的最低点)时的最小力(下屈服力)，所对应的应力为上、下屈服强度。由于上屈服强度受变形速度及试件形式等因素的影响，而下屈服强度则比较稳定，故工程中一般只测定下屈服强度，其计算公式为：。屈服应力是设计材料许用应力的一个重要指标。
    (3) 强化阶段SB
    过了屈服阶段以后，试件材料因塑性变形其内部晶体组织结构重新得到了调整，其抵抗变形的能力有所增强，随着拉力的增加，伸长变形也随之增加，拉伸曲线继续上升。SB曲线段称为强化阶段，随着塑性变形量的增大，材料的力学性能发生变化，即材料的变形抗力提高，塑性变差，这个阶段称为强化阶段。当拉力增加，拉伸曲线到达顶点时，曲线开始返回，而曲线顶点所指的最大拉力为 ，由此求得的材料的抗拉强度极限为，它也是衡量材料强度的一个重要指标。
    实际上由于试件在整个受力过程中截面面积不断发生变化，按公式得到抗拉强度极限为名义值 ,并非是荷载最大值时的真实应力，也非整个拉伸过程中的最大应力。从拉伸实验的曲线可以看出，试件并非在最大荷载时断裂。试件在拉过最大荷载后，仍有确定的承载力。低碳钢拉伸的过程中试件的应变持续增加，而应变是由应力引起的，低碳钢拉伸的过程同样也是一个应力持续增加的过程，试件的最大应力应该是试件断裂时的应力。
    虽然，按公式得到抗拉强度极限为名义值，但这种计算办法有利于工程设计，有着普遍的工程意义。
    (4) 颈缩和断裂阶段BK
    对于塑性材料来说，在承受拉力以前，试样发生的变形各处基本上是均匀的。但在达到以后，变形主要集中于试件的某一局部区域，该处横截面面积急剧减小，这种现象即为“颈缩”现象，此时拉力随之下降，直至试件被拉断，其断口形貌成杯锥状。试件拉断后，弹性变形消失，而塑性变形则保留在拉断的试件上。利用试件标距内的塑性变形及试件断裂时的荷载来计算材料的断后伸长率、断面收缩率及断裂应力的估算值。

    断裂伸长率： 

式中，-延伸率，-原始标距，-断后标距。

    断面收缩率 ： 

式中，-延伸率，-原始截面面积，-断后最小截面面积。

    断裂应力估算值：

式中，-断裂应力估算值，-断裂荷载，-断裂处最小截面面积。
    由延伸率的定义可以看出为标距长度内延伸的均值。实际上由于试件的颈缩导致试件在标距范围内的变形并不均匀，若事先在试件表面做等长的标记，将试件分成等长的多段小标距，断裂后会发现，小标距离颈缩点越近变形越大，离颈缩点越远变形越小，且呈对称分布，最终趋于变形均匀。这样同样材质、同样直径的试件采用不同的标距进行计算时会有不同的，为了使材料拉伸 实验的结果具有可比性与符合性，国家已制订统一标准(简称国标)
GB6397—86《金属拉伸试验试样》、GB228—87《金属拉伸试验方法》。
    国标规定拉伸试件分为比例和定标距两种，表面分为经机加工试祥和不经机加工的全截面试件，通常多采用经机加工的圆形截面试件或矩形截面试件。比例试样标距按公式确定，式中为试件的截面面积，系数通常为5.65或11.3，前者称为短试件，后者为长试件。对于直径为10mm 的试件而言，短、长试件的标距应分等于50mm及100mm, 即或，对应的延伸率分别定义为和。通常，延伸率小的材料多采用短标距试件，延伸率大的材料多采用长标距试件。

同样由于低碳钢试件颈缩变形的不均匀性和梯次递减的特性，同样的试件，当断口在中间时和断口在靠近边缘时，会有一定的差异，这样不利于数据的相互比较。为减小由于断口位置导致的误差， GB228—87规定：
    若断口距标距端点的距离小于或等于L0/3时，需要用“移位法”来计算。其方法是：以断点为中心，利用长段上相对应的变形格的长度加到短段已有的变形格上，使短段的计算变形格数为 N/2或N/2-1个（N为原始有效标距的个数），加上长段的N/2或N/2+1个格数的长度，就为断裂后的计算长度。其原理如图1.6 金属材料塑性断裂变形示意图：

图1.6 金属材料塑性断裂变形示意图

    在上图中，假定断口在试件的中间，则有L1≈L1'，L2≈L2 ' ，L3≈L3 ' …… ，L1＞L2＞L3…… 。
    这样通过移位处理就可以减小由于试件断裂位置不同引起的误差。图1.7为金属材料移位处理示意图：